嵌入式開發人員，這些ROM、FLASH、硬碟技術知識，必須要了解

在嵌入式開發中，如果芯片內部有Flash，應用程式通常保存在芯片內部FLASH中，比如Cortex-M系列的單片機；如果芯片內部沒有Flash，則應用程式通常保存于外部的NAND FLASH中，比如Cortex-A系列的芯片，這些Flash都是可以通過軟體編碼進行重新編程，

在計算機發展早期，資料是存盤在ROM中，ROM中的資料只讀不可寫，應用有限，直到后面出現的EEPROM、NAND存盤器，使得計算機存盤技術的應用得到快速發展，特別是近十年廣泛應用的高速存盤技術eMMC與UFS，推動消費電子領域的快速發展，比如手機存盤技術，現今最新款的小米11，使用了UFS3.1技術，

一、存盤器的發展

存盤器的快速發展得益于半導體技術的發明與發展，特別是晶體管與CMOS管的發明，通過電信號來控制自身開合，以開關的斷開和閉合來代表0和1，這些就是存盤電路的基本邏輯構成，隨著集成電路的出現，ROM存盤技術也隨之產生，如下簡要了解存盤技術的發展史：

二、ROM

ROM是Read Only Memory的簡稱，即為只讀存盤器，ROM內部的程式是在ROM的制造時被燒錄進去的，其中的內容只能讀不能改，一旦燒錄進去，用戶只能讀取內部的資料，不能再作任何修改，如果發現ROM的內容寫錯，則該ROM芯片只能報廢，由于ROM是在生產線上生產的，由于成本高，一般只用在大批量應用的場合，

三、PROM

由于ROM在出廠時已被固化，用戶無法定制自己的程式和資料，因此進行了改進，出現了PROM（Programmable ROM，可編程ROM），也就是出廠時ROM里面沒有資料即全為1，用戶可以用專用工具進行固化程式資料到ROM中，但是這種機會只有一次，一旦寫入后也無法修改，若是出了錯誤，已寫入的芯片也只能報廢，

四、EPROM

PROM這種只能一次性編程顯然成本高不符合開發需求，因此EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可編程ROM）芯片出現，通過紫外線可重復擦除和寫入，解決了PROM芯片只能寫入一次的弊端，

EPROM芯片有一個很明顯的特征，在其正面的陶瓷封裝上，開有一個玻璃視窗，透過該視窗，可以看到其內部的集成電路，紫外線透過該孔照射內部芯片就可以擦除其內的資料，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器，

EPROM的型號有以27開頭的系列，如2764(8*8K)是一片64K Bits容量的EPROM芯片，EPROM芯片在寫入程式后，還要以不透光的貼紙或膠布把視窗封住，以免受到周圍的紫外線照射而使程式丟失，

四、EEPROM

雖然EPROM可多次擦除編程，但是由于需要編程器，所以EPROM還是不是很方便使用，因此 EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，電可擦除可編程ROM）隨著產生，EEPROM的擦除不需要借助于其它設備，它是以電子信號來修改其內容的，而且是以Byte為最小修改單位，不需要全部擦除再寫入，很適合嵌入式設備的外部存盤器，

目前EEPROM還有在使用，以Ateml公司的AT24C系列的CMOS E2PROM為例，其采用IIC通信介面，電壓1.8-3.6V，嵌入式設備應用很廣泛，

五、Flash

Flash目前主要是Intel于1988年開發出的NOR flash技術和1989年東芝公司開發的NAND flash技術；它們的出現徹底改變了存盤器市場上由EPROM（Erasable Programmable Read-Only-Memory電可編程式只讀存盤器）和EEPROM（電可擦只讀存盤器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一統天下的局面，

這兩種技術區別在于介面與內部存盤結構，在介面方面，NOR flash有獨立的地址與資料線，而NAND flash沒有，他們的特性區別如下表所示：

內部結構方面（基于SLC NAND），如下表所示區別：

5.1、nor flash

NOR Flash最大特點是支持XIP(Execute On Chip），既程式可以直接在NOR flash的片內執行，在NOR Flash中的代碼運行時不需要重定位復制到RAM內，

如上圖所示Nor Flash，型號為MX29LV160，

NOR Flash的地址線和資料線分開，只要能夠提供資料地址，資料總線就能正確給出資料，不過不能直接對它進行寫操作，執行寫操作之前需要先發送固定的命令序列，然后發送寫操作的地址和資料，

NOR Flash存盤器的最小訪問單元一般分為8位和16位的，也有一些NOR Flash器件同時支持8位和16位模式，這種Flash的位寬可以在設計硬體時選擇，當芯片的BYTE#引腳接為高電平，芯片作業在位寬16位模式，BYTE#引腳設為低電平時，芯片作業在位寬8位模式，

NOR Flash一般有多個扇區，扇區是NOR Flash擦除的最小單位，Nor Flash中每個扇區的大小也不是固定的，

MX29LV160為例，寫時序圖如下所示（地址與資料總線是獨立的）：

讀時序圖如下所示，具體可參考資料手冊：

5.2、nand flash

5.2.1、nand型別

Nand flash是現在使用最多的閃存技術，現在主流的SD卡、eMMC、UFS、SSD等都是基于Nand flash技術的，但是Nand flash根據其存盤單元的型別，可分為SLC、MLC、TLC、QLC、PLC、…… 后續會有很多型別的LC系列，這些型別的區別是同一個存盤單元可以表示的資料位數不同，以SLC、MLC、TLC、QLC為例如下圖所示：

SLC：一個單元表示1bit資料；

MLC：一個單元表示2bit資料；

MLC：一個單元表示3bit資料；

QLC：一個單元表示4bit資料；

因此同樣尺寸大小的nand flash，基于QLC可以存盤的容量是SLC的4倍之多，但是雖然存盤容量多，但是在讀寫速率、擦除壽命及穩定性上卻是更低的，目前市面上比較多的是基于SLC、MLC、TLC單元結構的，特性對比如下：

SLC讀寫快，壽命長，但價格貴，容量低；而TLC讀寫慢，壽命短，但價格便宜，容量高，所以市面上基于nand flash的產品中，低端產品大部分都是TLC，中端產品大部分都是mlc，企業級的高端產品就是用SLC，追求的是穩定，

5.2.2、2D與3D技術

現在市場上追求的是設備的小型化，但是容量要求最大化，因此通過不斷地提升制程工藝技術，減小每個存盤單元的大小，如從45nm到16nm（目前最先進制程為高通驍龍888處理器達5nm），能到達同樣的芯片體積存盤容量進行擴大，

但是制程提高也帶來了一個瓶頸，當隨著制程工藝提高，每個存盤單元越小，nand單元顆粒的訊訓層越薄，可靠性越低，特別是QLC這種一個存盤單元表示4bit/cell資料，影響更大，

假設存盤單元電壓是 1.8V，對 SLC 而言，一個 bit 有二個狀態，平均分配 1.8V 電壓，每個狀態可以分到 0.9V；對 MLC 而言，四個狀態平均分配電壓，每個狀態可以分到 0.45V，以此類推，TLC 每個狀態只可以分到 0.225V，而 QLC 更慘，每個狀態只可以分到 0.1125V，在這么小的電壓下，這么多的狀態以極小的電壓區隔，電壓區隔越小越難控制，干擾也越復雜，而這些問題都會影響 TLC 或 QLC 閃存的性能、可靠性及穩定性，

Nand 2D技術屬于平面閃存（Planar NAND）范疇，其通過工藝提高容量瓶頸在10/9nm上；因此Nand 3D技術早在2007年就被提出來，即立體結構閃存，舉例說明：如果2D是平房，則3D就是高樓大廈，3D就是N層的2D閃存的堆疊，如上圖所示，

但是3D并不是簡單的進行堆疊，不同的公司有不同3D技術工藝，在3D閃存中具有代表性的工藝有：

也正因為3D NAND的技術，使得部分采用相應技術的TLC產品達到了MLC的性能，就是我們常說的3D TLC，而三星、美光等大廠的第四代顆粒3D QLC產品也已經投入了市場，讓廣大消費者體驗到了更高的容量、更低的價格、更快的讀寫性能，

隨著3D Nand的出現，2D由于無法在縮小單元尺寸的瓶頸限制，已經走到盡頭，現在最新的3D堆疊層數達到了128層，如下圖所示：

5.2.3、nand介面與時序

Nand flash比nor flash寫/擦除快，壽命長，成本低，得到更加廣泛的應用，但是其沒有獨立地址總線與資料總線，地址與資料共用8bit/16bit IO，因此其讀取速率方面比nor略低一些，

以美光MT29F系列nand flash為例（如MT29F16G08），其復用8bit或16bit IO用于傳輸命令、地址、資料，同時有5組控制信號CE#,CLE,ALE,WE#,RE#，還有WP寫保護與R/B狀態信號線，

各個引腳功能描述如下表所示：

寫命令時序：

寫地址時序：

資料寫入時序：

資料讀取時序：

以上讀寫MT29F系列芯片的具體命令與地址資訊組成可參考MT29F系列的規格書，網盤地址為：

關注公眾號：一口Linux：后臺回復：

MT29F

六、MMC與SD系列存盤卡

6.1、存盤卡發展簡介

Nand Flash的出現使得資料存盤得到快速的發展，但是Nand Flash只是一種存盤介質，要在其上讀寫資料，需要外部加上主控和電路設計，因此會影響到讀寫速率的提升，同時也是有點復雜，

基于此，控制器+Nand Flash組合的存盤結構模式開始出現，控制器用于處理Nand Flash的存盤邏輯，同時也可以管理NAND的壞塊、ECC校驗等，解放了外部主芯片的作業，提高了開發效率，于是，MMC卡、SD卡(TF卡)、eMMC卡、UFS等各種介面卡開始出現，

MMC是比較早出現的一種卡型別，其所定義的總線介面型別及通信協議規范，后續都被SD卡規范及eMMC規范繼承和延續，參考如下圖：

首先，在1997年，西門子公司和SanDisk推出MMC（MultiMedia Card）卡，成立了MMC協會（MultiMedia Card Association簡稱MMCA），MMC的發展目標主要是針對數碼影像、音樂、手機、PDA、電子書、玩具等產品，

其次，在1999年，日本松下、東芝及美國SanDisk公司共同開發研制了SD（Secure Digital Memory Card）卡，在MMC卡基礎上，擴展了總線協議，支持資料存盤的安全性，后續Mini SD（Mini Secure Digital Memory Card）從SD卡發展而來，體積是SD卡60%，性能跟SD卡一樣；

在2004年，摩托羅拉與SANDISK共同研發TF卡（TransFLash），體積更是只有SD卡的1/4，因此，后續早期智能手機的容量擴展都是用來TF卡，

早期SD規范只是針對資料存盤，即只連接SD卡；后面制定了SDIO規范，除了可以外接SD卡外，通過SD總線還可以連接外圍其他IO設備，如WiFi card，Bluetooth card，GPS card等，因此現在SDIO介面基本上可以兼容SD卡與MMC卡，

2010年，隨著智能手機的發展，需要更快速率的資料存盤，因此新的eMMC（Embedded Multi Media Card）規范也發展起來，在2011年至2016年，智能手機的存盤FLASH主要基于eMMC介面；而2016年后，更快的UFS規范的出現，將eMMC替換，UFS成為當下智能手機的主要存盤FLASH，

6.2、存盤卡介面

1、MMC介面：

MMC卡介面共只有7針，支持SPI模式與MMC模式，3根電源線，4根通信線，如下圖所示，分別是SPI模式（Do,Di,CLK,CS）與MMC模式（CMD,DAT,CLK），所以MMC只支持單根資料線，

2、SD介面

SD介面從MMC中擴展而來，增加到了9針，SD卡大小和MMC卡差不多，比MMC稍微厚一點，其也是有分為SPI模式與SD模式，其中SD模式有1線和4線模式，1線模式可兼容MMC卡的MMC模式，

上圖描述了SD與MMC介面的對于關系，MMC卡可以通過轉換配接器當作SD卡使用（即使用SD卡1線模式），SD介面個引腳含有如下表：

3、TF卡介面

TF卡介面是SD卡介面的延續，只有8針，在SD介面上少第3腳VSS1，其它與SD介面一致，

TF也稱為microSD卡，因此可以通過轉換器轉為SD使用，

TF卡也支持SPI模式與SD模式，跟SD卡一致，但是體積比SD卡小很多，

4、eMMC介面

eMMC介面有MMC發展而來，也是由MMC協會訂立，其資料總線擴展到了8位，主要應用是對存盤容量有較高要求的消費電子產品，比如手機，

隨著eMMC規范版本的升級，其通信速率也不斷的提高，最大速率可達400MB/s，如下表所示，在UFS出現前，智能手機存盤器基本上是基于eMMC介面，

5、UFS介面

UFS（Universal Flash Storage）是JEDEC發布的新一代通用閃存存盤標準，包括主機側和記憶體芯片側的標準，物理層是MIPI M-PHY，介面協議是SCSI，

如上圖所示，下行資料流DOUT與上行資料流DIN是獨立的，走差分信號，因此可以進行全雙工通信，相比與eMMC的半雙工，速率提高幾倍，因此現在市面高端智能手機基本都是UFS存盤，最新小米11使用的是UFS3.1版本，

UFS卡的外觀類似TF卡，有12針引線，每個引線的含義如下圖所示：

由于UFS相比與TF卡，存盤速率有明顯優勢，將來替換TF卡不可避免，比如在運動相機、航拍飛機等對速率要求更高的領域，

下圖描述的eMMC與UFS的發展時間表，UFS具體的規范資訊可參考官方網站下載：

https://www.jedec.org/document_search/field_committees/28?page=1

七、SSD硬碟

上面的那些存盤卡基本應用于嵌入式領域，比如消費電子和物聯網等設備，現在比較流行的SSD硬碟，內部存盤也是基于Nand Flash存盤，主要應用PC和服務器上，其內部也是由閃存芯片+控制器+快取構成，

SSD硬碟通過主控連接的介面比較復雜，而且種類繁多，主要有SATA介面、PCIE等，如下表所示：

目前使用比較多的是SATA3、PCI-E、Msata、SATA Express、M.2、U.2介面，它們的速率、尺寸大小等特性如下表所示：

各種硬碟的介面常見的如下圖所示：

八、HDD硬碟（傳統機械硬碟）

目前硬碟有三種型別，分別為：機械硬碟（HDD）、固態硬碟（SSD）、混合硬碟（SSHD），如下表所述：

HDD硬碟出現時間甚至比ROM還更早，上個世紀50、60年代初，發明了機械硬碟HDD，體積巨大，容量奇小，HDD硬碟發展歷史如下表：

HDD硬碟的出現，促進了計算機快速發展，特別是90年代個人電腦的興起，現在許多臺式電腦還有很多的HDD硬碟，